5．5．1　物质循环的概念及特点

1．物质循环

生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得的营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再回归到环境中，称为物质循环（cycle of material），又称为生物地球化学循环（biogeochemical cycle）。这种循环可以发生在不同层次、不同大小的生态系统内，乃至生物圈中。一些循环可能沿着特定的途径从环境到生物体，再到环境中。那些生命必需元素的循环通常称为营养物质循环。

物质循环包括地质大循环和生物小循环的内容。地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入大气、水、岩石、土壤和生物五大自然圈层的循环。地质大循环的时间长，范围广，是闭合式的循环。生物小循环是指环境中元素经生物体吸收，在生态系统中被多层次利用，然后经过分解者的作用，再为生产者吸收利用。生物小循环时间短，范围小，是开放式的循环。

当前，人类的活动已强烈地干扰了生态系统的物质循环，其影响已达到全球范围，并随之带来了一系列复杂的生态环境问题。在过去一百多年中，人类活动已经显著地干扰了碳、氮、磷、硫等物质的物质循环。如全球碳、氮平衡的破坏，已导致全球气候变化、酸雨、水体富营养化等全球或区域性环境问题。

2．物质循环的几个概念

1）库

库（pool）是指某一物质在生物或非生物环境暂时滞留（被固定或贮存）的数量。生态系统中的各个组分都是物质循环的库，可分为植物库、动物库、大气库、土壤库和水体库。在物质循环中，根据库容量的不同以及各种营养元素在各库中的滞留时间和流动速率的不同，可把物质循环的库分为贮存库（reservoir pool）和交换库（exchange pool）。前者一般为非生物成分，如岩石、沉积物等，其特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速度慢；后者的特点是库容量小，元素在库中滞留的时间短，流动速度快，一般为生物成分，如植物库、动物库等。例如，在一个水生生态系统中，水体和浮游生物体内均含有磷，水体是磷的贮存库，浮游生物是磷的交换库。

2）流与流通率

生态系统中的物质在库与库之间的交换称为流（flow）。对于任何一种元素，存在一个或多个贮存与交换库，物质在生态系统中的循环实际上就是物质在这些库与库之间流通。如在水生生态系统中，水体中的磷是一个库，浮游生物体内的磷是第二个库，在底泥中的磷又是一个库，磷在这些库与库之间的流动就构成了该生态系统中的磷循环。在生态系统中单位时间、单位面积（或体积）内物质流动的量［kg/（m²·t）］称为流通率（flow rate）。

3）周转率

周转率（turnover rate）指某物质出入一个库的流通率与库量之比。即

4）周转时间

周转时间（turnover time）是周转率的倒数。周转时间表示移动库中全部营养物质所需要的时间，周转率越大，周转时间就越短。如大气圈中二氧化碳的周转时间是1年左右（光合作用从大气圈中移走二氧化碳）；大气圈中分子氮的周转时间则需100万年（主要是生物的固氮作用将氮分子转化为氨氮为生物所利用）；而大气圈中水的周转时间为10．5天，也就是说，大气圈中的水分一年要更新大约34次。在海洋中，硅的周转时间约为800年，钠约2．06亿年。

物质循环的速率在空间和时间上有很大的变化，影响物质循环速率最重要的因素有：①循环元素的性质，即循环速率由循环元素的化学特性和被生物有机体利用的方式不同所致；②生物的生长速率，这一因素影响着生物对物质的吸收速度，以及物质在食物和食物链中的运动速度；③有机物分解的速率，适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，迅速将生物体内的物质释放出来，重新进入循环。

3．物质循环的类型

物质循环可分为三种类型，即水循环（water cycle）、气体型循环（gaseous cycle）和沉积型循环（sedimentary cycle）。

1）水循环

水是自然的驱使者，生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的。也就是说，没有水的循环就没有物质循环，就没有生态系统的功能，也就没有生命。

2）气体型循环

气体型循环的贮存库主要是大气和海洋，气体循环与大气和海洋密切相关，循环性能完善，具有明显的全球性。凡属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体的形式参与循环过程。属于这一类循环的物质有碳、氮和氧等。气体型循环与全球性的三个环境问题（温室效应、酸雨、臭氧层破坏）密切相关。

3）沉积型循环

沉积型循环的贮存库主要是岩石、沉积物和土壤，循环物质分子或化合物主要是通过岩石的风化作用和沉积物的溶解作用，才能转变成可供生态系统利用的营养物质。循环过程缓慢，循环是非全球性的。属于沉积型循环的物质有磷、硫、钠、钾、钙、镁、铁、铜、硅等。